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Pregunta detonadora. El larguero de un ala de pasillo único pesa del orden de un centenar de kilogramos en aluminio. Si lo hicieras en CFRP pesaría menos, pero fabricar cada kilogramo de CFRP emite más CO₂ que fabricar uno de aluminio. ¿Cuántas horas tiene que volar el avión para que el cambio haya merecido la pena para el clima? ¿Días, años, nunca?
Esta sesión cierra el curso juntando todas las piezas. En MAI aprendiste a leer los índices de Ashby (σ/ρ, E/ρ, E1/2/ρ, E1/3/ρ) para un material aislado. En MAII has visto por qué fallan los materiales (sesión 2), cómo se comportan en la zona caliente (3 y 5), en el espacio (6) y cómo los cambia el proceso (7). Ahora pasamos de «qué material es mejor» a qué material elegiría y defendería ante una autoridad de certificación y ante una auditoría ambiental.
Caso motivador. Airbus y Boeing pasaron en una generación del 10–20 % de compuestos en masa estructural (A320, 777) a más del 50 % (787 y A350 XWB). La decisión no la tomó un índice de Ashby: la tomaron a la vez el índice, la tolerancia al daño, el coste de fabricación por AFP, años de calificación según CMH-17 y la cuenta de combustible a lo largo de 25 años de servicio.
Contenido teórico
8.1 Metodología de selección: índices de Ashby, burbujas y compromisos
El método de Ashby tiene cuatro pasos: traducir el requisito (función, restricciones, objetivo, variables libres), filtrar por restricciones duras (temperatura de servicio, entorno), ordenar por un índice de desempeño y documentar a los supervivientes con datos completos. El índice sale de escribir la masa en función de la carga y eliminar la variable geométrica libre; no lo derivamos, lo usamos:
Mtirante=ρEMviga=ρE1/2Mplaca=ρE1/3
Su lectura gráfica es la novedad de hoy: en un diagrama log-log de E frente a ρ, cada índice es una familia de rectas de pendiente 1, 2 o 3:
logE=nlogρ+nlogM
Todos los materiales sobre una misma recta rinden igual; los que quedan por encima, mejor. Las familias aparecen como burbujas porque cada una abarca muchas aleaciones o grados. Con los centros de burbuja del laboratorio (rangos típicos de referencia):
Familia
ρ (Mg/m³)
E (GPa)
E/ρ
E^½/ρ
E^⅓/ρ
Aleaciones de Al
2.69
74.7
27.7
3.21
1.57
CFRP cuasi-isótropo
1.55
101.7
65.7
6.51
3.01
Aleaciones de Ti
4.60
103.9
22.6
2.22
1.02
Berilio
1.84
302
164
9.45
3.65
Madera (paralela a la veta)
0.60
11.0
18.3
5.52
3.70
Caso del temario: índice E1/2/ρ para viga de ala. Un larguero trabaja en flexión con la longitud fijada por el ala y la sección escalable: manda el índice de viga. Para la misma rigidez, la masa es inversamente proporcional al índice, así que una viga de CFRP pesaría 3.21/6.51=0.49 veces la de aluminio: un ahorro teórico del 51 %. En la práctica las alas de CFRP ahorran bastante menos (del orden del 15–25 % en estructura real) porque las uniones, los herrajes metálicos, los márgenes por daño de impacto (BVID) y por condiciones calientes y húmedas se comen parte de la ventaja. El berilio sale primero en el ranking, y aquí entran los compromisos: cuesta cientos de veces más por kilogramo que el aluminio y su polvo es tóxico. Si se divide el índice por el precio (M/Cm), el berilio cae al fondo y el acero y el aluminio suben. CES EduPack (hoy Ansys Granta EduPack) automatiza estos filtros y rankings sobre bases de datos de miles de materiales; tiene versión estudiantil.
8.2 Normativa y certificación
Un material no vuela porque sea bueno, sino porque se ha demostrado con ensayos normalizados y un proceso congelado que lo es, con una probabilidad conocida. Las normas que el temario pide conocer:
Documento
Emisor
Qué regula
AC 20-107B, Composite Aircraft Structure
FAA
cómo demostrar resistencia estática, fatiga y tolerancia al daño de estructuras de compuesto, incluidos efectos ambientales e impacto
CMH-17 (antes MIL-HDBK-17)
comunidad CMH-17 / FAA / DoD
métodos de ensayo, estadística y datos de diseño de compuestos; enfoque de bloques de construcción
ASTM E8/E8M
ASTM
ensayo de tracción de metales (límite elástico, resistencia, alargamiento)
ASTM E466
ASTM
ensayo de fatiga axial de amplitud constante con control de fuerza (curvas S-N)
ECSS-Q-ST-70C
ESA (ECSS)
materiales, piezas mecánicas y procesos de misiones espaciales europeas: selección, listas declaradas, desgasificación, calificación
RTCA DO-160G
RTCA
ensayos ambientales del equipo embarcado: temperatura, altitud, humedad, vibración, rayos, compatibilidad electromagnética
Los valores de diseño no son medias, sino valores admisibles estadísticos. Un valor base B es el que superará el 90 % de la población con un 95 % de confianza; un base A, el 99 % con un 95 % de confianza. Se usan A para piezas de camino de carga único y B para estructuras redundantes. Su forma general es:
XB=Xˉ−kBs
donde Xˉ y s son la media y la desviación típica de los ensayos y kB un factor de tolerancia que crece cuanto menos ensayos hay. Significado práctico: ensayar pocos lotes castiga el valor de diseño, y ensayar muchos cuesta. La calificación de un material de compuesto sigue la pirámide de bloques de construcción de CMH-17: miles de probetas (cupones) en varias condiciones ambientales, cientos de elementos y detalles, decenas de subcomponentes y unos pocos ensayos de componente y de avión completo. Cada nivel valida el análisis del siguiente.
Caso del temario: calificación de CFRP según CMH-17. El sistema IM7/8552 de Hexcel está calificado en la base de datos compartida de NCAMP (Wichita State University), que aplica los métodos de CMH-17: varios lotes de prepreg, ensayos en frío-seco, ambiente y caliente-húmedo, y valores base B publicados. Un fabricante que use ese material con el mismo proceso puede hacer solo un programa de equivalencia reducido en lugar de repetir toda la calificación: es la forma de abaratar la entrada de un compuesto nuevo.
8.3 Ciclo de vida y sostenibilidad
El análisis de ciclo de vida (LCA, ISO 14040/14044) suma la energía y las emisiones de todas las fases: materia prima, fabricación, uso, mantenimiento y fin de vida. En aviación comercial la fase de uso domina: lo que pesa el componente se paga en queroseno cada hora durante 25 o 30 años. Una forma simple de verlo es el punto de equilibrio: las horas de vuelo a partir de las cuales el material ligero ha devuelto su deuda de fabricación,
heq=(mAl−mCF)fcqmCFcCF−mAlcAl
donde c es la huella de producción por kilogramo, f el combustible quemado por kilogramo de masa y hora de vuelo y cq=3.16 kg de CO₂ por kg de queroseno. Caso del temario: LCA de Al frente a CFRP con los valores por defecto del laboratorio: un larguero de 100 kg en aluminio primario (12 kg CO₂/kg, 200 MJ/kg) frente a 80 kg en CFRP (22 kg CO₂/kg, 270 MJ/kg; valores aproximados de los rangos de Ashby). La producción cuesta 1.20 t de CO₂ en aluminio y 1.76 t en CFRP: 0.56 t de deuda. Con la regla práctica de f=0.04 kg de combustible por kg y hora (aproximada; 0.03–0.05 en reactores comerciales), los 20 kg ahorrados queman 0.8 kg/h menos, 2.53 kg de CO₂ por hora. El equilibrio llega a unas 221.5 h de vuelo: con 3000 h al año, menos de un mes. En 25 años el CFRP ahorra unas 188.5 t de CO₂. Un LCA publicado en 2024 para estructuras de Al frente a CFRP situó el equilibrio en unos 300 000 km de vuelo, del mismo orden de magnitud. En un avión que vuela 400 h al año el equilibrio sigue en 221.5 h de vuelo, pero tarda medio año de calendario.
Fin de vida. El aluminio se recicla bien: refundirlo cuesta en torno al 10 % de la energía del primario. El CFRP termoestable es el punto débil. La pirólisis quema la matriz a 450–700 °C en atmósfera controlada y recupera fibra corta con algo menos de resistencia; la solvólisis disuelve la matriz con disolventes, a veces supercríticos, y recupera fibra más limpia a cambio de más energía de proceso según el estudio (en un análisis de ORNL, unos 52 MJ/kg para pirólisis y 257 MJ/kg para solvólisis supercrítica; cifras aproximadas y muy dependientes de los límites del sistema). La fibra reciclada se usa hoy en piezas no estructurales y no compite con la virgen en estructura primaria.
SAF y bioderivados. El combustible de aviación sostenible (SAF) se mezcla hasta el 50 % con queroseno fósil según ASTM D7566 y reduce las emisiones de ciclo de vida en función de su materia prima. El reglamento europeo ReFuelEU Aviation exige un 2 % de SAF en 2025 y un 6 % en 2030. Hay que tenerlo en cuenta en el LCA: cuanto más limpio sea el combustible, menos vale el kilogramo ahorrado en CO₂ y más pesa la huella de fabricación. Los materiales bioderivados (fibras de lino, resinas de origen vegetal) aparecen en interiores y piezas secundarias.
8.4 Proyecto integrador
El proyecto integrador es la entrega independiente de esta sesión: una propuesta de material para un componente aeroespacial real, justificada por estructura, propiedades, manufactura, normativa y costo. Es exactamente lo que hace un ingeniero de materiales en un programa: recibe un requisito y debe defender una elección. La rúbrica completa está en la tarea; el recorrido es:
Selección: índice de Ashby, burbujas y ranking con al menos tres candidatos de familias distintas (sesión 8.1).
Estructura → propiedad → desempeño: por qué el material elegido se comporta así (sesiones 1, 3, 4).
Manufactura: ruta de fabricación, buy-to-fly, defectos típicos (sesión 7).
Normativa y costo: normas aplicables, calificación, costo y ciclo de vida (sesión 8.2–8.3).
Criterios de evaluación del curso (temario §9). La calificación final se reparte en participación activa 30 % (talleres, foros, videoconferencias, sincrónicos y asincrónicos), entregas de aprendizaje independiente 40 % (las ocho entregas, incluido este proyecto) y exámenes 30 % (el examen-taller final de la lección 9).
En un diagrama de Ashby log-log de E frente a ρ, ¿qué pendiente tienen las líneas guía del índice de placa E^(1/3)/ρ?
Taller
Actividad del temario: presentaciones del proyecto integrador por equipo, retroalimentación del grupo y cierre con tendencias 2030.
Presentación (8 min por equipo). Componente, requisitos, diagrama de Ashby con el índice elegido, candidato final y su justificación por estructura, propiedades, manufactura, normativa y costo.
Retroalimentación (4 min). Cada equipo evaluador hace una pregunta de cada tipo: una de propiedades (¿qué pasa en caliente-húmedo, en fatiga, en vacío?) y una de certificación (¿qué norma, qué valor admisible, cuántos lotes?).
Laboratorio de apoyo. Antes de presentar, comprueba en el laboratorio tu índice y tu LCA con la masa real de tu componente.
Cierre: tendencias 2030. Discusión guiada sobre cinco líneas: compuestos termoplásticos soldables (el demostrador de fuselaje multifuncional de Clean Sky 2 ensayó un tramo de 8 m de fuselaje termoplástico soldado), CMC en la zona caliente de los motores, AM con certificación digital del proceso, materiales para hidrógeno líquido (depósitos criogénicos) y fin de vida obligatorio del CFRP.
Preguntas guía. ¿Tu índice coincide con la forma de carga real del componente? ¿Qué restricción descarta al ganador del ranking? ¿Qué parte del ahorro teórico se pierde en la pieza real? ¿Cuántas horas de vuelo necesita tu propuesta para el equilibrio de CO₂?
Comprueba en el laboratorio. Con los valores por defecto (escenario «Larguero de ala · viga E^½/ρ») el sim muestra el berilio como mejor por índice (9.45), el índice del Al frente al CFRP (3.21 frente a 6.51) y el ahorro asumido frente al teórico (20 frente a 51 %). En la escena derecha, la huella de producción es de 1.20 frente a 1.76 t de CO₂, el combustible ahorrado de 2 400 kg al año y el equilibrio de CO₂ de 221.5 h (el sim redondea a 222 h, unos 0.074 años), igual medido por el cruce de las curvas que por la fórmula. El equilibrio energético llega a 46.5 h, y en 25 años se ahorran unas 188.5 t de CO₂ con el fin de vida incluido. Activa «Índice / precio» y mira cómo la madera, el acero y el aluminio pasan al frente; cambia a placa y verás las espumas PMI en cabeza.
1 de 8
Síntesis y puente
Seleccionar un material es encadenar tres preguntas: ¿cuál rinde mejor para esta forma de carga (índice)?, ¿puedo demostrarlo con la confianza que exige la autoridad (normativa)?, ¿compensa su huella en la vida del vehículo (LCA)? Y todo descansa sobre la cadena que ha recorrido el curso.
Preguntas de reflexión. ¿Por qué el material con mejor índice casi nunca es el elegido? ¿Cambiaría tu cuenta de ciclo de vida si el avión volara con 100 % de SAF? ¿Qué diferencia hay entre seleccionar un material para un avión comercial y para un satélite, donde no hay combustible por hora pero cada kilogramo cuesta miles de dólares de lanzamiento?
Puente con la lección 9. El examen final es un taller integrador: un caso nuevo que recorre las ocho sesiones, de las superaleaciones a la selección por índice, con una cápsula que solo reentra si tus decisiones son correctas. Repasa las flashcards de cada sesión y los «Comprueba en el laboratorio».
Fuentes
Ashby, M. F., & Jones, D. R. H. Engineering Materials 1 (4.ª ed.). Butterworth-Heinemann. Índices de desempeño y diagramas de selección; rangos típicos de E y ρ usados en las burbujas (aproximados).
Ashby, M. F. Materials and the Environment (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann. Energía incorporada y huella de CO₂: Al primario del orden de 200 MJ/kg y 12 kg CO₂/kg; CFRP del orden de 260–290 MJ/kg y 20–24 kg CO₂/kg (rangos aproximados).
Ansys Granta EduPack (antes CES EduPack), versión estudiantil: bases de datos y gráficas de burbujas.
FAA. AC 20-107B, Composite Aircraft Structure (2009, con cambio 1).
CMH-17 (MIL-HDBK-17). Composite Materials Handbook, vol. 1: enfoque de bloques de construcción y valores base A y B. NCAMP (Wichita State University): calificación compartida de IM7/8552.
ASTM E8/E8M (tracción de metales) y ASTM E466 (fatiga axial con control de fuerza).
ESA, ECSS. ECSS-Q-ST-70C, Materials, mechanical parts and processes.
RTCA. DO-160G, Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment.
Airbus: A350 XWB con más del 50 % de su estructura en compuestos. Boeing: 787 con un 50 % de compuestos en masa.
LCA comparativo de aluminio y CFRP en manufactura aeroespacial (2024): equilibrio ambiental a unos 300 000 km de vuelo. Estudio de ORNL/IACMI sobre energía incorporada de la pirólisis (≈ 52 MJ/kg) y la solvólisis supercrítica (≈ 257 MJ/kg) del CFRP; cifras aproximadas.
Regla práctica de 0.03–0.05 kg de combustible por kg de masa y hora de vuelo en reactores comerciales (aproximada, sin fuente primaria única); queroseno 43 MJ/kg y 3.16 kg CO₂/kg.
ASTM D7566 (combustibles sintéticos para aviación) y Reglamento (UE) 2023/2405 ReFuelEU Aviation: 2 % de SAF en 2025 y 6 % en 2030.
Clean Sky 2, demostrador de fuselaje multifuncional termoplástico (MFFD).
Laboratorio: Ashby y ciclo de vida Al frente a CFRP · Sesión 8